- Trang Chủ
- Vật lý
- Thiết kế bộ tạo dao động và bộ khuếch đại trong cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba
Xem mẫu
- TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203
DESIGNING OSCILLATOR AND AMPLIFIER
FOR MICROWAVE MOTION SENSOR
Tran Xuan Trong*, Luong Quang Huy
TNU - University of Information and Communication Technology
ARTICLE INFO ABSTRACT
Received: 31/3/2021 The content of the paper presents the basic structure of microwave
motion sensor and how to apply microwave technology in design
Revised: 31/5/2021
sensor's oscillator and amplifier. During the design process, the
Published: 31/5/2021 authors used modeling and computer simulation with the support of
specialized software Advanced Design System (ADS). The simulation
KEYWORDS results show that the Oscillator generates frequency 2.49 Ghz, with an
oscillation amplitude of 2.35V. The Amplifier has a scattering
Motion Sensor coefficient at input and output less than -30dB and the gain of 13.2 dB
High Frequency Electronics with frequency 2.49 Ghz. Basically, the Oscillator and Amplifier
Microwave design are suitable for use in motion sensor fabrication.
Oscillator
Amplifier
THIẾT KẾ BỘ TẠO DAO ĐỘNG VÀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TRONG CẢM BIẾN
CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG SÓNG VIBA
Trần Xuân Trọng*, Lương Quang Huy
Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên
THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT
Ngày nhận bài: 31/3/2021 Nội dung bài báo trình bày về cấu trúc cơ bản của cảm biến phát hiện
chuyển động dựa trên công nghệ sóng Viba (Microwave) và ứng
Ngày hoàn thiện: 31/5/2021
dụng kỹ thuật siêu cao tần trong thiết kế bộ dao động và bộ khuếch
Ngày đăng: 31/5/2021 đại của cảm biến. Trong quá trình thiết kế, nhóm tác giả đã sử dụng
phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính bằng phần
TỪ KHÓA mềm chuyên dụng Advanced Design System (ADS). Kết quả mô
phỏng cho thấy, bộ dao động được thiết kế đã tạo ra dao động có tần
Cảm biến phát hiện chuyển động số 2,49 Ghz và biên độ dao động 2,35V. Bộ khuếch đại có hệ số tán
Mạch điện tử siêu cao tần xạ tại đầu vào và đầu ra nhỏ hơn -30 dB và hệ số khuếch đại đạt 13,2
dB với tần số 2,49 Ghz. Với các thông số thiết kế đạt được, bộ dao
Sóng Viba
động và bộ khuếch đại cơ bản phù hợp để ứng dụng vào chế tạo cảm
Bộ dao động biến chuyển động.
Bộ khuếch đại
DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4236
*
Corresponding author. Email: txtrong@ictu.edu.vn
http://jst.tnu.edu.vn 199 Email: jst@tnu.edu.vn
- TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203
1. Giới thiệu
Cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba là thiết bị dùng sóng điện từ tần số Viba để phát
hiện chuyển động của vật thể hoặc con người trong phạm vi làm việc của nó. Cảm biến này hoạt
động như một chiếc RADAR thu nhỏ [1] nên nó có tầm phủ lớn, hoạt động ổn định, ít bị ảnh
hưởng bởi nhiễu từ khí hậu. Ngoài ra, sóng Viba có thể xuyên qua các vật liệu phi kim giúp cảm
biến có thể lắp chìm, tăng tính thẩm mĩ cho các thiết kế [2]. Với các ưu điểm nêu trên, loại cảm
biến này được ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống an ninh, hệ thống
giám sát sức khỏe [3]-[5]. Cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba có thể được chế tạo dưới
dạng vi xử lý tích hợp trên chip [6], tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi công nghệ cao, kỹ thuật
chế tạo tinh vi. Vì vậy để đơn giản hóa quá trình chế tạo, nhóm tác giả đã thực hiện nghiên cứu,
thiết kế cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba chỉ dùng mạch vi dải và các linh kiện điện tử
cơ bản. Nội dung chính của bài báo trình bày về kết quả thiết kế bộ Dao động và bộ Khuếch đại,
2 bộ phận quan trọng của cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba. Kết quả thiết kế đạt được có
thể phục vụ việc nghiên cứu, chế tạo, cải tiến cảm biến chuyển động trong thực tế.
2. Tổng quan cảm biến chuyển động sử dụng công nghệ tần số vô tuyến
Cảm biến chuyển động dựa trên công nghệ sóng Viba phát ra sóng điện từ tần số Viba, sau đó
sử dụng sóng phản xạ thu được từ mục tiêu để phát hiện chuyển động của mục tiêu. Về cơ bản
cấu trúc một bộ cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba gồm các khối được trình bày trong
Hình 1 [7]:
Hình 1. Sơ đồ khối cảm biến Hình 2. Sơ đồ tổng quát của mạch dao động
Trong đó: Bộ dao động tạo ra dao động điện từ cao tần. Bộ khuếch đại dùng để khuếch đại
công suất sóng vô tuyến từ bộ dao động hoặc khuếch đại sóng phản xạ chính thu được từ anten
thu RX. Anten phát TX và thu RX dùng để phát và thu sóng cao tần; Bộ trộn tần có nhiệm vụ so
sánh tần số sóng phản xạ từ vật thể và tần số sóng gốc để phát hiện ra sai lệch tần số do vật
chuyển động gây ra theo hiệu ứng Doppler. Bộ lọc để lọc nhiễu cao tần.
Nguyên lý hoạt động: Cảm biến chuyển động tạo ra sóng Viba tần số f0 lan truyền với vận tốc
ánh sáng c, khi gặp vật cản thì sóng bị phản xạ lại với tần số fR. Nếu vật cản chuyển động với vận
tốc vr thì sai lệch tần số ∆f giữa sóng phản xạ và sóng gốc được tính theo hiệu ứng Doppler [8]:
1 2v
f = f R − f0 = f0 (1 + vr / c)( ) − f0 r f0 (1)
1 − vr / c c
Dựa vào sai lệch tần số ∆f thiết bị có thể phát hiện ra chuyển động, thậm chí tính toán được
vận tốc chuyển động của vật.
3. Thiết kế bộ dao động, bộ khuếch đại và đánh giá kết quả
http://jst.tnu.edu.vn 200 Email: jst@tnu.edu.vn
- TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203
3.1. Bộ dao động (Local Oscillator)
Trong cảm biến chuyển động sử dụng sóng viba, mạch dao động được thiết kế để tạo dao
động điện từ cao tần (2,45-2,5 GHz) hình sin có biên độ và tần số ổn định [9]. Mạch cần phối hợp
trở kháng 50Ω, sử dụng nguồn 1 chiều 5V.
Mạch dao động được thiết kế theo mô hình trở kháng âm (Negative Resistance Oscilltor –
NRO), sử dụng phần tử transistor cao tần mắc theo sơ đồ Base chung. Tín hiệu phản hồi về cực
gốc và có mạch cộng hưởng song song với đầu ra bộ dao động theo Hình 2 [9], [10].
Các phần tử cơ bản của mạch dao động bao gồm [11], [12]: Transistor BFP780 Infineon, các
điện trở và tụ điện dán (Surface Mount Devices) của hãng PANASONIC, cuộn cảm của hãng
Mouser. Vật liệu FR4 được sử dụng làm đường vi dải. Việc thiết kế bộ dao động trải qua 3 bước
chính [9], [13]:
Bước 1: Phân cực cho transistor trong chế độ tĩnh. Bước này giúp tìm ra điện áp và dòng điện
tối ưu cần đặt vào các cực của transistor.
Bước 2: Xây dựng mạch khuếch đại không ổn định bằng các linh kiện điện tử, trong đó có
tính đến vị trí linh kiện, kích thước đường truyền vi dải, phối hợp trở kháng,…
Bước 3: Lựa chọn trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại tại vùng không ổn định, đồng thời
kết hợp với quá trình phối hợp trở kháng sẽ thu được mạch dao động theo yêu cầu.
Kết quả thiết kế mạch dao động thể hiện ở Hình 3 và kết quả mô phỏng dao động thể hiện ở
Hình 4.
Hình 3. Thiết kế hoàn thiện mạch dao động Hình 4. Sóng dao động của mạch dao động
Kết quả mô phỏng ở Hình 4 cho thấy, mạch dao động tạo ra dao động có tần số dao động 2,49
Ghz với chu kì 0,402ns, kết quả này nằm trong khoảng tần số mà mục tiêu thiết kế đặt ra. Biên độ
dao động của tần số V = 2,35V.
3.2. Bộ khuếch đại
Để đảm bảo hiệu quả lọc nhiễu và khuếch đại công suất của sóng tần chính, bộ khuếch đại cần
đảm bảo tần số làm việc trung tâm 2,49 Ghz và hệ số khuếch đại lớn hơn 12 dB [14], [15]. Ngoài ra
để đảm bảo tính thực tiễn và đồng bộ trong thiết kế, bộ khuếch đại cần sử dụng các loại linh kiện và
vật liệu vi dải tương tự bộ dao động. Có 4 bước chính để thiết kế mạch khuếch đại [9], [14]:
Bước 1: Phân cực và lựa chọn điểm làm việc của transistor.
Bước 2: Xét tính ổn định của transistor.
Bước 3: Lựa chọn thông số mạch và phối hợp trở kháng.
Bước 4: Hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết kế.
http://jst.tnu.edu.vn 201 Email: jst@tnu.edu.vn
- TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203
Kết quả thiết kế mạch khuếch đại trình bày ở Hình 5, Hình 6, Hình 7.
Hình 5. Mạch khuếch đại Hình 6. Hệ số tán xạ tại tần số trung tâm
Hình 7. Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại Hình 8. Thiết kế cảm biến chuyển động sử dụng sóng RF
Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại tại Hình 6 cho thấy, hệ số tán xạ đầu vào S(1,1) và đầu ra
S(2,2) tại tần số 2,49 Ghz đều nhỏ hơn -30 dB. Nghĩa là công suất nguồn vào và công suất mạch
đi ra đạt hiệu suất gần 100%, không bị tán xạ hoặc cản trở. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh thông số
mạch và phối hợp trở kháng để giảm S(1,1) và S(2,2) có thể làm cho hệ số khuếch đại S(2,1) của
mạch khuếch đại giảm đáng kể. Trong kết quả mô phỏng Hình 7 cho thấy hệ số khuếch đại tại tần
số trung tâm của bộ khuếch đại S(2,1) đạt 13,2 dB lớn hơn mục tiêu thiết kế (12 dB).
3.3. Đánh giá kết quả
Để đánh giá hoạt động của bộ dao động và bộ khuếch đại trong cảm biến, nhóm tác giả đã
thực hiện ghép nối 2 bộ này vào thiết kế tổng thể của cảm biến theo Hình 8.
Mô phỏng với giả lập một vật chuyển động có tốc độ 12,15 m/s, đi vào vùng làm việc của cảm
biến. Tính toán theo (1) thì lệch tần do hiệu ứng Doppler f ≈ 200 (Hz).
Kết quả mô phỏng tín hiệu đầu ra của cảm biến có dao động Doppler theo đúng giả thiết đã
đưa ra tại Hình 9 với tần số xấp xỉ 200 Hz và biên độ của tín hiệu dao động đạt 0,6 V. Tín hiệu
này đủ lớn để có thể xử lý ở các khối chức năng khác phía sau cảm biến.
http://jst.tnu.edu.vn 202 Email: jst@tnu.edu.vn
- TNU Journal of Science and Technology 226(07): 199 - 203
Hình 9. Tín hiệu thu được tại đầu ra của cảm biến
4. Kết luận
Từ việc nghiên cứu cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba, nhóm tác giả bước đầu đã thiết
kế thành công bộ dao động và bộ khuếch đại (tần số 2,49 Ghz) đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Ngoài ra, khi tích hợp hai bộ phận này với các khối chức năng khác trong cảm biến chuyển động,
tín hiệu mô phỏng đầu ra của cảm biến phù hợp với tính toán, thiết kế. Với kết quả thiết kế đạt
được, việc chế tạo và ứng dụng cảm biến chuyển động sử dụng sóng Viba vào trong thực tiễn là
có cơ sở và khả thi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES
[1] D. Tuteja, D. Jain, H. Singla, and D. Sharma, “Detailed Survey on Motion Sensing,” Journal of Basic
and Applied Engineering Research, vol. 1, no. 8, pp. 27-31, October, 2014.
[2] J. S. Wilson, Sensor Technology Handbook. Elsevier Inc, 2005.
[3] M. A. Belen, P. Mahouti, and F. Güneş, “Design and implementation of doppler microwave motion
sensor for indoor application,” Sigma J Eng & Nat Sci, vol. 36, no. 3, pp. 849-859, 2018.
[4] B. C. Li, J. Cummings, J. Lam, E. Graves, and W. Wu, “Radar Remote Monitoring of Vital Signs,”
February 2000 IEEE Microwave Magazine, 2000, pp. 47-56.
[5] W. Ma, Z. Xiao, D. Tang, F. Liu, and W. Hu, “A Real-Time 2.4-GHz Doppler Radar System with All
Functionalities on Board for Vital Signal Detection,” IEEE 15th International Conference on Solid-
State & Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2020.
[6] A. Genewsky, D. E. Heinz, P. M. Kaplick, K. Kilonzo, and C. T. Wotjak, “A simplified microwave-
based motiondetector for home cage activity monitoring inmice,” Journal of Biological Engineering,
vol. 11, no. 36, pp. 1-12, 2017, doi: 10.1186/s13036-017-0079-y.
[7] C. Li and J. Lin, Microwave Noncontact Motion Sensing, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New
Jersey, 2014, pp. 7-18.
[8] H. Tom, The Doppler Effect – Lesson 3, Waves. Physics tutorial. The Physics Classroom, 2017.
[9] Agilent Technologies, Inc, ADS Circuit Design Cookbook 2.0, USA, 2012, 2012, pp. 3-9, 67-127, 171-215.
[10] G. D. Vendelin, A. M. Pavio, and U. L. Rohde, Microwave Circuit Design Using Linear And
Nonlinear Techniques, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005, pp. 53-
57, 192-268, 520-540.
[11] Infineon Technologies AG, Data Sheet BFP780. Published by Infineon Technologies AG 81726
Munich, Germany, 2015.
[12] Infineon Technologies AG, Data Sheet BAT17. Published by Infineon Technologies AG 81726
Munich, Germany, 2015.
[13] U. L. Rohde, A. K. Poddar, and G. Bo¨ck, The design of modern microwave oscillators for wireless
applications. John Wiley & Sons, inc, German, 2005.
[14] A. Bandla, Highly Linear 2.45 GHz Low-Noise Amplifier Design, Department of Science and
Technology Institutionen Linköping University, Sweden, 2015.
[15] B. Maruddani, M. Ma’sum, E. Sandi, Y. Taryana, T. Daniati, and W. Dara, “Design of two stage low
noise amplifier at 2.4 - 2.5 GHz frequency using microstrip line matching network method,” 4th
Annual Applied Science and Engineering Conference, Conference Series 1402, 2019.
http://jst.tnu.edu.vn 203 Email: jst@tnu.edu.vn
nguon tai.lieu . vn
